水果采摘机器人运动控制系统的设计与实现

高强

摘要：农业生产需要投入大量人力，但是过高的人工成本又会影响农业经济发展。而且，水果是季节性产品，需要在短时间内要求大量人参与到采摘工作，在其他时间则不需要这么多人力。为此，需要积极摸索机械生产，降低水果采摘所需的人力支出。本文从水果采摘这一农业生产需求出发，对于机器人运动控制系统展开设计，旨在为我国农业经济发展贡献力量。

关键词：水果采摘;机器人运动控制;系统设计

前言：传统人工采摘水果，需要在几天内支付劳动者大量资金，影响水果种植盈利空间。为有效降低成本支出，采摘机器人已经变成农业发展关注要点。对于水果采摘，要求在树枝中识别成熟水果，将其采摘，并在不同果树之间进行移动，是一项系统性工作。本文针对机器人运动这一模块进行设计，希望可以为更多机器人研发企业提供研发思路。

1运动控制机械机构

对于水果采摘，主要涉及到在水果采摘与果园移动两个部分。对于采摘部分，使用可以实现提升、中轴旋转的机械臂，在控制器引导下，可以让机械臂在树枝之间顺利采摘水果，而不对果树造成过多影响。而且，在机械臂的末端需要设计剪断茎干的剪刀，并使用气缸对剪刀开合进行控制。先由夹子固定水果，再完成果实采摘。而移动部分则要考虑不同水果的果树高度会存在差异，而且果实高度也会存在差异。所以，需要利用传感器检测距离机器人最近的果实位置，并驱动机器人移动至果实下方。将机器人负责移动的四个轮子构成矩形，以对角线的交叉位置设置成原点，以此构建直角坐标系。同时，需要在轮子上增加传感器，保证机器人在移动时可以依照坐标系完成多角度移动。例如轮子的初始位置是0°，即机器人停止当前运动;在轮子角度为正90°，则会发生反向旋转，从而达到机器人移动目的。

2水果采摘机器人运动控制系统设计

2.1 GPS定位

为在水果采摘过程中，实时掌握机器人当前位置，需要通过GPS定位系统获取相应数据。数据传输则要以GPS信息格式为准，从而对机器人位置信息采集，对数据进行处理。在该系统的数据协议中涉及到帧头、帧尾、数据信息、位置检测四个部分，需要于系统内预先经过智能化处理，才能让数据传输保持较高效率，降低干扰信息影响。所以，采集数据需要先串口数据传输情况进行判定，如果是失败，需要从程序中退出，如果是成功，需要在帧头位对GPS标识符检测;然后，对已接收字符进行循环，判别标识符内位置信息是否有效，有效会继续等待其他帧传输，无效会终止当前行为;在对接收数据后，认定该内容是帧尾位，则会返回数据。如果不是帧尾位，会在已接收数据转移至缓冲区的同时，继续接收剩余数据内。GPS系统在检测数据完整性时，发现数据和字节标准不符，需要舍弃数据。

2.2超声波测量

超声波测量系统是由机械臂前端传感器和水果测量两者之间距离，并把超声波通过反射测量获得距离信息运输给数据单元。测量数据除水果和传感器位置外，也涉及到机器人的移动速度、机械臂角速度等数据，并以数据帧方式于系统内传输。在发送数据帧前，需要判断数据发送情况，无数据传送时，需要等待数据;而已经开始进行传输数据，需要對帧头真实性判断，只有符合系统预测信息的数据，才能将其转移至缓冲区内，并根据缓冲数据对传感器与水果完成距离运算。如果不符合要求，则会将接收到数据丢弃，等待其他数据进入系统。

2.3视图系统

对于视图系统，这是机器人采摘设计最重要内容。其目的是处理传感器收集到的图像信息，并对采摘目标进行准确处理。视图系统需要保证数据信息真实，并在视图系统中判断采摘对象，完成超声波测距后，进行机械臂的采摘动作。基本原理是由机械臂前端的摄像头对果实收集图像信息，从而确定果实实际方位，由超声波测距确定具体采摘位置，在系统中控制机械臂的高度，设定采摘角度，并合理调节运动速度，通过设置剪刀、夹子的执行器负责采摘工作。对于视图系统的设计过程，需要保证对操作目标检测其是否存在，以分析其具体空间位置，确定坐标，利用机器人与执行器距离，借助视图导航，完成机器人行为引导。

3基本功能测试

负责辅助机器人在果园内移动的GPS定位系统，与确定果实在树上具体位置的超声波测距系统，两者在实际应用时都可以将误差值控制在较低范围内。少数测试时可以达到精确采摘水果效果。为提升采摘准确度，需要通过视图系统识别果实模型。在测试时主要以果实规格、边缘特性等和周边树枝、树叶进行区分。例如圆形苹果与扁平状树叶，机器人则是处理前者，避开后者。如果是水果规格过小，机器人分辨准确度会有所下降。对于常见的几种水果测试后，例如苹果、桃子等，其识别效率均在98%以上，如表1所示。

结论：本文对于采摘机器人仅涉及到运动模块，若要正式投入应用，还需要对图像识别、障碍物判定等多种系统模块进行研究。所以，在参考本文内容时，请依据实际水果采摘条件为主，优化设计工作。避免出现直接照搬本文内容，影响机器人实际工作效果。

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作者简介：1997年10月生，男，汉族，宁夏固原人，研究方向：智能控制技术

课题：宁夏大学生创新创业项目“自动化水果采摘机器人”（2018-D26）